专利名称：改进的光束成形器的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及自动照明装置，具体涉及一种用在自动照明装置中的光束成形器。
背景技术：
具有自动和远程控制功能的照明装置是娱乐活动和建筑照明市场中公知的。此类产品经常用于剧院、电视演播室、音乐会、主题公园、夜总会及其他会场。典型的产品通常通过照明装置的水平旋转和俯仰功能来提供控制，允许操作者控制照明装置的瞄准方向，并由此控制光束在舞台上或演播室中的位置。通常，这种位置控制是通过控制照明装置在两个正交的旋转轴线上的位置(经常称为水平旋转和俯仰)来实现的。很多产品通过其他参
数(例如强度、颜色、聚焦、光束尺寸、光束形状和光束模式)来提供控制。光束模式经常由称为遮光片的模板或滑板提供，其可以是钢、铝或刻蚀玻璃样式。由罗布照明(Robe ShowLighting)生产的产品(例如ColorSpot 700E)是本领域的典型产品。此类照明装置的光学系统可以包括光束成形光学元件，光受到约束而经过所述光束成形光学元件。光束成形元件可以包括不对称或双面凸的透镜或透镜组，它们将对称的且横截面为圆形的光束约束为非对称的且横截面明显为椭圆或长方形的光束。现有技术的自动照明装置可以包含多个这样的光束成形器，每个光束成形器可以具有对光束较大或较小的影响，而且这些光束成形器可以重叠，以产生综合效果。例如，弱光束成形器可以将在所有方向均具有20°的对称束角的圆光束约束为具有30°长轴和15°短轴的基本为椭圆的光束。更强大的光束成形器可以将在所有方向均具有20°的对称束角的圆光束约束为具有40°长轴和10°短轴的基本为椭圆的光束。在现有技术的照明装置中，同样常见的是，提供将光束成形器沿光轴旋转的能力，使得所产生的对称椭圆光束也可以被旋转。美国专利5，665，305、美国专利5，758，955、美国专利5，980，066和美国专利6，048，080公开了这样的系统，其中多个分立的透镜元件用于控制光束的形状。图I示出了多参数自动照明系统10。这些系统通常包括多个多参数自动照明装置12，每个多参数自动照明装置12上通常均包含机载光源(未示出)、光调制设备、连接至机械驱动系统的电动机和控制电路(未示出)。除了直接或经由配电系统(未示出)连接至主电源，每个照明装置还与数据链路14串联或并联，连接至一个或多个控制台15。照明系统10通常由操作者经由控制台15进行控制。图2示出了现有技术的自动照明装置12。灯21包含发光的光源22。光被反射器20反射和控制经过一孔或成像门24，并且接着经过一可变的孔23 (未示出)。所产生的光束可以进一步由光学设备26约束、成形、着色和过滤，光学设备26可以包括分色滤光片、光束成形器、遮光片、旋转遮光片、成帧快门、效应玻璃和本领域公知的其他光学设备。最终的输出光束可以经过输出透镜28和31传输,透镜28和31可以形成变焦透镜系统。图3和图4示出了光束成形器30的现有技术示例的结构和操作。图3示出了光束成形器透镜或板30，其包括光学透明材料(例如玻璃或聚碳酸酯)的盘，盘上浮雕或成形有升起或降下的直线区域32的图案或阵列，以形成带棱纹或双面凸的透镜的阵列。当大致圆形的光束经过所述带棱纹或双面凸的透镜时，该光束的横截面将被约束为非对称的且明显为椭圆或长方形形状的横截面，如图4所示。这样的系统可以围绕与照明装置的光轴平行的轴线旋转，以旋转图4所示的椭圆光束，然而该光束成形器30不能改变椭圆的尺寸或其离心率。现有技术的系统可以包含带有不同图案的多个这样的设备，使得可以通过使用合适的光束成形器30来选择对尺寸和离心率的作用。然而，这种选择是不连续的，并且没有向用户提供在某一范围内连续调节作用程度的机会。例如，如果需要不同程度的离心率，则需要将不同的光束成形器30插入光束路径。假设照明装置具有两个可以彼此替换的光束成形器30，则可以获得3种不连续的离心率作用效果没有光束成形器、光束成形器I和光束成形器2。然而，用户不能在两种作用效果之间改变离心率的程度。如果可以在光束中同时放置两个光束成形器30，则可以获得4种效果没有光束成形器、同时有两个光束成形器，并且假设光束成形器并不相同，每个光束成形器将单独地具有不同程度的作用效果。需要一种用于自动照明装置的改进的光束成形器机构，其提供了在尺寸和/或离心率程度的某一范围内平滑地且连续地调节所约束光束的尺寸和/或离心率的能力。
为了对本发明及其优点有更加透彻的理解，现在参照下文与附图结合的描述，在图中相同的附图标记表示相同的部件，其中图I示出了典型的自动照明系统；图2示出了典型的自动照明装置；图3示出了现有技术的光束成形器；图4示出了由光束成形器调节后的光束；图5示出了创新的光束成形器透镜配对的截面；图6A、图6B和图6C示出了图5所示的光束成形器的光束成形调节效果；图7示出了包括多个小透镜的光束成形器的实施例的截面图；图8示出了从光束轴线俯视图7的光束成形器实施例的小透镜的光束成形器的视图；图9以轮/盘阵列示出了沿图7和8的多个小透镜实施例的光束轴线的视图；图10示出了图9所示的实施例的截面图,其中小透镜配对紧密嵌套；图11示出了图10的实施例的截面图，其中小透镜配对被分开；图12示出了具有不同形状和结构的小透镜的可选择实施例中的光束轴线视图；图13示出了采用两个光束成形配对的照明装置的实施例；图14示出了图13的实施例的视图，示出了小透镜配对被分开；图15示出了光束成形器的可选择实施例，其中两个光束成形器配对共享同一光学元件；图16示出了采用LED阵列光源的光束成形照明装置的可选择实施例；以及图17示出了 LED阵列照明装置光束成形器的可选择实施例。
具体实施方式
本发明的优选实施例在附图中示出，相同的附图标记用于表示多幅图中相同和相应的部件。本发明总体涉及一种自动照明装置，具体涉及这种照明装置中的光束成形器的结构，使其提供调节所约束光束的尺寸或离心率的能力。图5示出了创新的光束成形光学元件配对40的实施例的侧视截面图。在该实施例中，所述配对40包括两个光学元件44和46。元件44可以包括带有至少一个凸面45和光束观察截面48的小透镜(Ienslet)。元件46可以包括带有至少一个凹面47和匹配的光束观察截面48的第二小透镜。元件44的凸面45和元件46的凹面47具有相同且相反的几何形状，使得元件44上的凸面45可以大致嵌入元件46上的凹面47。元件44和46的截面可以是圆形或非圆形的。截面48可以是图5所示的椭圆。然而，元件44和46可以具有任意截面48，包括例如圆形的、长方形的、带棱纹的、椭圆的、双面凸的或几乎任何其他适宜的形状。图6A、图6B和图6C —起示出了图5的小透镜配对40的操作，其中小透镜44和46的截面48是非圆形的。第一和第二小透镜44和46可以平行于照明装置的光轴移动，使得可以调节它们沿该轴的相对间隔。未示出的机械性活节连接装置有助于元件的移动。本领域中存在用于实现照明装置中的光学元件的这种移动的公知方法。进入光束成形配对40的光束的横截面形状43在图6A、图6B和图6C中的每一个的左侧示出。来自光束成形配对40的输出光束的横截面形状见49。图6A示出了光束成形器40的大致嵌套的元件44和46，使得元件44上的凸面45尽可能靠近元件46上的凹面47。在该结构/位置中，两个曲面的光学作用抵消，并且元件44和46的组合对光束输出49几乎没有影响。在该位置，输入光束横截面43不受元件44和46的影响，并且作为光束49无改变地离开系统。图6B示出了光束成形器40的处于稍稍分离位置的元件44和46。在该位置，两个曲面45和47的光学作用组合，使得圆形的输入光束43被约束为新的非圆形的横截面49。在示出的结构中，输出光束的横截面是椭圆的，具有相对小的离心率和相对小的束角增加。图6C示出了光束成形器40的更加分离的元件44和46。在该位置，两个曲面的光学作用组合，使得圆形的输入光束43被约束为新的非圆形的横截面49。在示出的结构中，输出光束的横截面49是椭圆的，具有较大的离心率，并且输出光束的束角显著增加。尽管图6A、图6B和图6C仅不出了光束成形器40的兀件44和46的3个位置,然而在实践中，元件44和46沿光轴的间隔在某一范围内是可连续调节的，由此，输出光束的尺寸也是在某一范围内可连续调节的。该系统允许用户选择所需的任意程度的光束成形，并且该系统是对现有技术的系统的改进。图6所示的实施例的特殊情况出现在元件44和46的截面是圆形的时候。在该情况下，输出光束45将不会改变输入光束43的横截面，而该系统将仅改变输出的束角(尺寸)。图7和图8示出了创新的光束成形器的另一实施例。图7示出了包括光学元件52的光束成形器50的截面图，光学元件52包括小透镜54的阵列，每个小透镜具有至少一个凸面53。光学元件55可以包括玻璃小透镜56的第二阵列，每个玻璃小透镜56具有至少一个凹面57。元件52上的小透镜54阵列的凸面53和元件55上的小透镜56阵列的凹面57具有相同且相反的几何形状，使得元件52上的凸面53将会大致嵌入元件55上的凹面57。形成元件52和55上的匹配阵列的小透镜54和56中的每一个的截面均可以是圆形或非圆形的。截面可以是如图8所示的椭圆；然而在可选择的实施例中，形成阵列54和56的小透镜54和56可以具有任意的截面，包括例如圆形的、长方形的、带棱纹的、椭圆的、双面凸的或任意其他形状。对这样的小透镜设计的唯一限制是，它们应当能够设计为匹配的、其中一个可以大致嵌入另一个中的凸/凹对。图8示出了一部分光学元件52和55沿光束轴线的截面图，示出了具有椭圆形小透镜64的阵列结构的实施例。为了获得所需的连续的光束调节效果，光学元件52和/或55在维度58上关于彼此活节连接，从而在维度58上改变元件52和55之间的相对距离。此外，为了调节所产生的调节效果的角向定向，元件对52和55在示出的方向59以旋转方式活节连接在一起，使得小透镜形状51的角向定向在示出的方向59上改变。用于获得这些活节连接的机制没有在图中示出，但其是本领域公知的。
在可选择的实施例中(未示出)，被调节的离心率效果的旋转效果可以通过改变小透镜在一直线方向上的定向来实现，使得光束仅经过一部分透镜阵列，而所述效果的角向定向在阵列移动时改变，使得光束以不同定向经过小透镜。图9、图10和图11不出了沿光束成形器60的可选择实施例的光束轴线的截面图，其中嵌入的小透镜65阵列在圆盘62和64 (共享中心轴线63并且组合在单个组件60中)上构造。包括光学元件62和64的所述组件可以围绕该共享的中心轴线63旋转69，使得输出光束中的调节效果的定向(未示出)也可以旋转。尽管在此示出了圆盘62和64，然而并不是要对本发明进行如此限定，在不违背本发明的实质的前提下，可以使用任何形状的嵌套的小透镜阵列。尽管没有示出用于盘的活节连接机构，但其是本领域公知的。在一些实施例中，光束可以仅经过盘61的一部分。在这样的情况下，仅需要将盘旋转90度，以获得离心率的光束形状调节效果的完全旋转现象。对于该实施例，可以从中心轴线驱动盘的旋转。在其他实施例中，光束可以经过整个阵列，在这种情况下，必须能够将盘旋转180度，以获得离心率的光束形状调节效果的完全旋转现象。在这种情况下理想的是，从盘的边缘而不是盘的中心驱动该旋转。图10和图11示出了本发明的又一实施例的截面图，其中包括嵌套的小透镜66和70阵列的两个光学元件62和/或64可以平行于/沿着照明装置的光轴移动，从而改变沿维度方向68的轴线的间隔。图10示出了具有维度方向68上最小间隔的光学元件62和64，使得元件64的小透镜70上的凸面72尽可能靠近元件62的小透镜66上的凹面67。在这种情况下，曲面阵列的光学作用抵消，而元件64和62的组合对光束几乎没有影响。图11示出了具有增加的间隔68的光学元件62和64，从而元件64的小透镜70上的凸面72与元件62的小透镜66上的凹面67分开。在该位置，两个曲面的光学作用组合，使得圆形的输入光束因增加的光束成形而被约束为具有新的横截面。已经在此示出了带有嵌套的小透镜的单对光学元件，然而并不是要对本发明进行如此的限定，并且另外的实施例可以使用多对光学元件，每一对光学元件均带有嵌套的小透镜。每一对光学元件可以提供不同量和旋转角度的光束成形。这样的元件对可以串联安置在自动照明装置中，使得光束经过所有这样的光学元件对，并且具有由每一对的作用效果的组合所限定的最终光束形状。图12示出了光束成形器71的又一实施例的视图，其中包括嵌套的小透镜78 (构造为带棱纹或双面凸的透镜)阵列的两个光学元件74和76可以构造为圆盘(共享中心轴线79)并且被组合至单个组件71中。包括光学元件74和76的所述组件可以围绕该共享的中心轴线旋转69，从而输出光束也可以旋转。尽管示出了圆盘，然而并不是要对本发明进行如此限定，并且在不违背本发明的实质的前提下，可以使用任意形状的嵌套的小透镜阵列。图13和图14示出了光束成形器照明装置的又一实施例，其中光源22投射光束经过一系列光束成形器两个光学元件62和64的第一光束成形对60，包括嵌套的小透镜(构造为带棱纹的或双面凸的透镜)66和70阵列；以及两个光学元件92和94的第二光束成形对90，包括嵌套的小透镜(构造为带棱纹的或双面凸的透镜)96和98阵列。光学元件62、64和92、94的第一和第二光束成形对60和90可以构造为圆盘(每对圆盘共享中心轴线)并且可以被组合至单个组件中。包括光学元件60和62的所述组件可以围绕共享的中心轴线63旋转69,使得输出光束(未不出)也可以旋转。另外，每一对光学兀件62、64和92、
94(其包括嵌套的小透镜66和70以及96和98阵列)可以平行于照明装置的光轴63移动，从而可以沿该轴独立改变它们的间隔。图13示出了具有最小间隔68和78的光学元件，使得元件60的小透镜70上的凸面71尽可能靠近元件62的小透镜96上的凹面97，而元件92的小透镜96尽可能靠近元件94的小透镜98上的凹面99。在这些位置，曲面阵列的光学作用抵消，而元件62、64以及92,94的组合对光束几乎没有影响。图14示出了具有增加的间隔68和78的光学元件，使得元件64的小透镜70上的凸面71与元件62的小透镜66上的凹面67分开，并且元件90的小透镜96独立地与元件94f的小透镜99上的凹面97分开。在这些位置，两个曲面阵列的光学作用组合，使得圆形的输入光束被约束为具有新的横截面(源于元件62和64以及72和74的组合的增加的光束成形)。在又一实施例中，光学元件62、64和72、74的至少一对可以具有如上所述的圆形横截面，使得由该对光学元件产生的作用效果限于光束尺寸，而输出光束的形状没有受到影响。另外，包括光学元件62、64和72、74的组件可以围绕中心轴线独立地旋转，从而输出光束也可以旋转。在小透镜具有圆形横截面的情况下，阵列的旋转将提供无意义的作用效果。在一些实施例中，将光学系列中最后的元件74固定。这对照明装置是有益的，因为该元件可以进而起到照明装置壳体的一部分的作用，保护照明装置的内部运转。然而，哪些元件被致动而哪些元件被固定并不是关键的。重要的是能够改变一对元件中元件之间的相对距离，并且能够协调它们的旋转，使得凹面和凸面小透镜能够在阵列的旋转过程中保持对准。尽管示出了圆盘，然而并不是要对本发明进行如此限定，并且在不违背本发明的实质的前提下，可以使用任意形状的嵌套的小透镜阵列。图15示出了光束成形器100的可选择实施例的截面图。该光束成形器具有3个元件102、104和106，它们中的每一个均具有小透镜阵列。在该实施例中，第一元件102具有带凸面109的凸形小透镜108阵列，所述凸面109面对并且嵌入元件104的凸面小透镜110上的凹面111。元件104的另一侧具有带凸面113的凸面小透镜112，所述凸面113面对并且嵌入元件106的小透镜114上的凸面115。图16示出了光束成形器的又一实施例200的截面图。在这种情况下，光源是发光二极管(LED)源204的阵列202。在示出的实施例中，存在两个光束成形元件对206和208。用于配对106的元件210和212以及用于配对208的元件214和216的配对与上述嵌套的小透镜对相似。它们可以通过一轮轴围绕中心轴线旋转，或者可以从外部边缘驱动旋转。在一些实施例中，配对206和208可以作为一个单元随LED阵列202旋转，以获得离心调节作用效果的角向定向的改变。这些阵列可以是圆形的、正方形的、长方形的或任意其他形状。图17示出了采用LED阵列光源202的光束成形器的可选择实施例220。在该实施例中，单独的LED 204的凸面205用于起到小透镜阵列的作用，所述小透镜阵列与光学元件222嵌套，光学元件222具有带凸面223的凸面小透镜阵列222。尽管已经主要通过本质上为椭圆形截面的小透镜描述和示出了本发明，然而并不是要对本发明进行如此的限定，在不违背本发明的实质的前提下，可以使用任意截面，包括例如圆形的、长方形的、带棱纹的、椭圆的、双面凸的或任意其他形状。 在又一实施例中使用多对光学元件(每一对均具有嵌套的小透镜)，其中具有嵌套的小透镜的多对光学元件中的至少一对可以具有椭圆形截面的小透镜一其中椭圆的离心率是一致的，使所述小透镜的截面是圆形的，并且仅提供束角控制而不改变光束形状。应当理解的是，针对在这里需要元件的活节连接而未示出活结连接的这种情况，本领域技术中已公知，能够实现这些必要的活节连接的多种机制。尽管已经参照有限数量的实施例对本发明进行了描述，然而从本发明中获益的本领域技术人员将会理解的是，可以构想出并不违背本发明在此处公开的范围的其他实施例。本发明已经详细地进行了描述，应当理解的是，在不违背本发明的实质和范围的前提下，可以对其作出多种改变、替换和变更。
权利要求
1.使用成对的嵌套的小透镜(包括双面凸的透镜)来提供可连续调节的光束成形。
全文摘要
本发明描述了一种改进的自动照明装置，以及采用匹配的小透镜对的光束成形器的照明系统。所述光束成形器采用嵌套的小透镜，这些小透镜活节连接从而使光束成形的调节程度在某一调节范围内是可连续调节的。
文档编号F21V14/06GK102792209SQ201080050445
公开日2012年11月21日 申请日期2010年9月11日 优先权日2009年9月11日
发明者帕维尔·尤里克 申请人:罗布照明有限公司